Alüminyum

Alüminyum, atom numarası 13 ve simgesi Al olan kimyasal element. Gümüş renkte, sünek bir metaldir. Doğada genellikle boksit cevheri halinde bulunur ve oksidasyona karşı üstün direnci ile tanınır. Bu direncin temelinde pasivasyon özelliği yatar.

Endüstrinin pek çok kolunda milyonlarca farklı ürünün yapımında kullanılmakta olup, dünya ekonomisi içinde çok önemli bir yeri vardır. Alüminyumdan üretilmiş yapısal bileşenler uzay ve havacılık sanayi için vazgeçilmezdir. Hafiflik ve yüksek dayanım özellikleri gerektiren taşımacılık ve inşaat sanayiinde geniş kullanım alanı bulur.

Özellikleri
Fiziksel özellikler
Alüminyum, yumuşak ve hafif bir metal olup mat gümüşümsü renktedir. Bu renk, havaya maruz kaldığında üzerinde oluşan ince oksit tabakasından ileri gelir. Alüminyum metalinin, yüzey pürüzlülüğüne bağlı olarak gümüşi beyazdan mat griye kadar değişen görünümü vardır.

Alüminyum aynalar, yakın ultraviyole ve uzak kızılötesi ışık için tüm metal aynalar arasında en yansıtıcı olanıdır. Aynı zamanda görünür spektrumda ışığı en çok yansıtanlardan biridir. Bu açıdan neredeyse gümüşle aynı seviyededir ve bu nedenle ikisi benzer görünür.

Alüminyum güneş ışınımını yansıtma konusunda da iyidir ancak havadaki güneş ışığına uzun süre maruz kalmak metalin yüzeyinde aşınmaya neden olur. Yüzeye koruyucu oksit tabakası ekleyen alüminyumun anodlanması ile bu durum önlenebilir.

Alüminyum, zehirleyici ve manyetik değildir. Kıvılcım çıkarmaz.

Alüminyumun yoğunluğu 2,70 g/cm3 olup, çeliğin veya bakırın yaklaşık 1/3'ü kadar olup yaygın olarak karşılaşılan diğer metallerden çok daha azdır, bu ise alüminyum parçaların hafifliğiyle kolayca tanımlanmasını sağlar.

Alüminyumun yoğunluğunun diğer metallerin çoğuna göre az olması, çekirdeklerinin çok daha hafif olmasından kaynaklanır ancak birim hücre boyutundaki farklılık bu farkı telafi etmez. Daha hafif metaller, berilyum ve magnezyum dışında yapısal kullanım için fazla reaktif olan (ve berilyum çok toksik olan) 1. ve 2. grup metallerdir. Alüminyum, çelik kadar sağlam veya sert değildir. Ancak az yoğun olması, havacılık ve uzay endüstrisinde ve hafifliğin ve nispeten yüksek mukavemetin önemli olduğu diğer birçok uygulama için bunu telafi eder.

Saf alüminyum oldukça yumuşaktır ve mukavemeti azdır. Çoğu uygulamada, daha fazla mukavemet ve sertlikleri nedeniyle bunun yerine çeşitli alüminyum alaşımları kullanılır. Saf alüminyumun akma dayanımı 7–11 MPa iken, alüminyum alaşımlarının akma dayanımı 200 MPa ile 600 MPa arasındadır.

Alüminyum sünektir, uzama yüzdesi %50-70'dir . Sünekliği kolayca çekilmesine ve ekstruzyona imkan verir ve dövülebilir. Aynı zamanda kolaylıkla işlenebilir ve dökülebilir.

Alüminyum mükemmel bir termal ve elektrik iletkenidir. Hem termal hem de elektriksel olarak bakırın iletkenliğinin yaklaşık %60'ına sahip olmasına rağmen yalnızca bakırın %30'u kadar yoğundur. Alüminyum, 1,2 kelvinlik süperiletkenlik kritik sıcaklığı ve yaklaşık 100 gaussluk (10 milliteslalık) kritik manyetik alanıyla süper iletkenlik kapasitesine sahiptir.

Paramanyetiktir ve dolayısıyla statik manyetik alanlardan esasen etkilenmez. Ancak yüksek elektrik iletkenliği, girdap akımlarının indüksiyonu yoluyla alternatif manyetik alanlardan güçlü şekilde etkilendiği anlamına gelir.

Elektrik iletkenliği %64,94 IACS'dir (saf Al, 2 °C'de).

Çok üstün korozyon özelliklerinin olması, üzerinde oluşan oksit tabakasının koruyucu olmasındandır.

Erime sıcaklığı 660 °C, kaynama sıcaklığı ise 2519 °C'dir.

Kimya
Alüminyum, geçiş öncesi ve geçiş sonrası metallerin özelliklerini birleştirir. Daha ağır grup 13 türdeşleri gibi metalik bağlanma için az sayıda kullanılabilir elektrona sahip olduğundan, beklenenden daha uzun atomlar arası mesafelerle geçiş sonrası metalin karakteristik fiziksel özelliklerine sahiptir. Ayrıca, Al3+ küçük ve yüksek yüklü bir katyon olduğundan güçlü şekilde polarize olur ve alüminyum bileşiklerindeki bağlanmalar ortak değerliğe doğru eğilim gösterir; bu davranış berilyumun (Be2+) davranışına benzer ve ikisi diyagonal bir ilişki örneği gösterir.

Alüminyumun değerlik kabuğunun altında yatan çekirdek, önceki soy gazın çekirdeğidir, oysa onun daha ağır türdeşleri galyum, indiyum, talyum ve nihonyum da doldurulmuş bir d-alt kabuğu ve bazı durumlarda doldurulmuş bir f-alt kabuğunu içerir. Bu nedenle alüminyumun iç elektronları, alüminyumun daha ağır türdeşlerinin aksine, değerlik elektronlarını neredeyse tamamen korur. Bu nedenle alüminyum, kendi grubundaki en elektropozitif metaldir ve hidroksiti aslında galyumunkinden daha baziktir.

Alüminyum aynı gruptaki metaloid bor ile de küçük benzerlikler taşır: AlX3 bileşikleri, BX3 bileşiklerine göre değerlik izoelektroniktir (aynı değerlik elektronik yapısına sahiptirler) ve her ikisi de Lewis asitleri gibi davranır ve kolayca katkı maddeleri oluşturur. Ek olarak, bor kimyasının ana motiflerinden biri düzenli ikosahedral yapılardır ve alüminyum, Al-Zn-Mg sınıfı da dahil olmak üzere birçok ikosahedral yarı kristal alaşımın önemli bir bölümünü oluşturur.

Alüminyumun oksijene karşı yüksek kimyasal yakınlığı vardır, bu ise onu termit reaksiyonunda indirgeyici bir madde olarak kullanıma uygun yapar. İnce bir alüminyum tozu, sıvı oksijenle temas ettiğinde patlayıcı bir şekilde reaksiyona girer; Ancak normal koşullar altında alüminyum, metali oksijen, su veya seyreltik asit tarafından daha fazla korozyona karşı koruyan ince bir oksit tabakası (oda sıcaklığında ~5 nm) oluşturur; bu işleme pasivasyon denir. Korozyona karşı genel direnci nedeniyle alüminyum, ince toz halinde gümüşi yansımayı koruyan az sayıda metalden biridir ve bu özelliği alüminyumu gümüş renkli boyaların önemli bir bileşeni yapar.
Alüminyum, pasifleştirilmesi nedeniyle oksitleyici asitlerin saldırısına uğramaz. Bu, alüminyumun nitrik asit, konsantre sülfürik asit ve bazı organik asitler gibi reaktifleri depolamak için kullanılmasına olanak tanır.

Oksidasyon kademesi 1
Alüminyum hidrojen atmosferi altında 1500 °C'ye ısıtıldığında AlH üretilir.
Alüminyumun normal oksidi (Al2O3) silisyum ile 1800 °C'de vakum altında ısıtıldığında Al2O üretilir.
Al2S3 ün alüminyum talaşları ile 1300 °C'de vakum altında ısıtılması ile Al2S üretilir. Ancak hızlıca başlangıç maddelerine ayrışır. İki değerlikli selenyum da benzer şekilde yapılır.
Üç değerlikli halojenürleri, alüminyum ile ısıtıldıklarında -AlF- -AlCl- ve -AlBr- gaz fazında elde edilebilir.

Oksidasyon kademesi 2
Alüminyum tozu oksijenle yandığında alüminyum alt-oksidinin (AlO) varlığı gösterilebilir.

Oksidasyon kademesi 3
Fajans kuralı, basit bir üç değerlikli katyonun (Al3+) susuz tuzlarda veya Al2O3 gibi ikili bileşiklerde bulunamayacağını gösterir. Hidroksit zayıf bir bazdır ve karbonat gibi zayıf baz olan alüminyum tuzları hazırlanamaz. Nitrat gibi kuvvetli asit tuzları kararlı ve suda çözünürler. En az altı moleküllü hidratlar oluştururlar.
Alüminyum hidrür (AlH3)n, trimetil-alüminyum ve aşırı oksijen kullanarak üretilebilir. Havada patlayarak yanar. Alüminyum klorürün eter çözeltisi içinde lityum hidrürle muamelesi sonucu da üretilebilir. Ancak çözücüden ayrıştırılamaz.
Alüminyum karbür (Al4C3) elementlerin oluşturduğu karışımın 1000 °C'nin üzerine ısıtılması ile üretilebilir. Açık sarı renkli kristallerinin kompleks bir kafes yapısı vardır ve su veya seyreltik asitle metan gazı verirler. Asetilit (Al2(C2)3), ısıtılmış alüminyum üzerinden asetilen geçirmek suretiyle üretilir.
Alüminyum nitrür (AlN), elementlerinden 800 °C'de üretilebilir. Su ile hidrolize olarak amonyak ve alüminyum hidroksit verir.
Alüminyum fosfit (AlP), benzer şekilde yapılır ve fosfin vererek hidrolize olur.
Alüminyum oksit (Al2O3), doğada korundum olarak bulunur ve alüminyumun oksijenle yakılması veya hidroksit, nitrat veya sülfatının ısıtılmasıyla elde edilir. Kıymetli taş olarak sertliği elmas, bor nitrür ve karborundum'dan sonra gelir. Suda hemen hemen hiç çözünmez.
Alüminyum hidroksit, alüminyum tuzunun sulu çözeltisine amonyak ilavesi yoluyla jelatinimsi bir çökelek şeklinde elde edilebilir. Amfoteriktir; hem çok zayıf bir asit olup hem de alkalilerle alüminatlar yapar. Değişik kristal formlarındadır.
Alüminyum sülfür (Al2S3), alüminyum tozu üzerinden hidrojen sülfür geçirerek üretilebilir. Polimorfiktir.
Alüminyum florür (AlF3), hidroksitinin HF ile muamelesi sonucu veya elementlerinden üretilir. 1291 °C'de ergimeksizin gaz fazına geçen dev bir molekül yapısına sahiptir. Çok inerttir. Diğer üç değerliürleri dimerik ve köprü benzeri yapıdadırlar.
Ampirik formülü AlR3 olan organo-metalik bileşikleri vardır ve dev yapılı moleküller değilse de en azından dimerik veya trimeriktirler. Organik sentez alanında (örneğin, trimetil alüminyum) kullanılırlar.
Alümino-hidrürler bilinen en elektro-pozitif yapılardır. İçlerinde en kullanışlı olan lityum alüminyum hidrür'dür (Li[AlH4]). Isıtıldığında lityum hidrür, alüminyum ve hidrojene parçalanır ve su ile hidrolize olur. Organik kimyada pek çok kullanım alanı vardır. Alümino-halojenürler de benzer yapıya sahiptirler.

Doğal oluşum
Ayrıca bkz. Boksit üretimine göre ülkelerin listesi

Uzay
Alüminyumun Güneş Sistemi'ndeki parçacık başına miktarı 3,15 ppm'dir (ppm: milyonda parça sayısı). Tüm elementler arasında en bol bulunan on ikinci elementtir ve tek atom numaralı elementler arasında hidrojen ve nitrojenden sonra en bol bulunan üçüncü elementtir. 27Al'den farklı olarak, hidrojenin yanması 26Al'in birincil kaynağıdır. Nüklid, 25Mg'lik bir çekirdeğin serbest bir protonu yakalamasından sonra ortaya çıkar. Bununla birlikte, var olan eser miktardaki 26Al, yıldızlararası gazdaki en yaygın gama ışını yayıcısıdır; Alüminyum, Evren'in geneline kıyasla Dünya'nın kabuğunda daha büyük oranda vardır çünkü alüminyum kolayca oksitlenir ve kayalara bağlanıp kalır. Dünya'nın kabuğu'nda daha az reaktif metaller çekirdeğe doğru batar.

Yerkabuğundaki çok sayıda silikat alüminyumu içerir. Buna karşılık, Dünya'nın manto kütlesinin sadece %2.38'i alüminyumdur.

Alüminyum deniz suyunda 2 μg/kg konsantrasyonda bulunur.

Al2O3 içindeki krom ve demir gibi safsızlıklar, sırasıyla yakut ve safir gibi değerli taş ürünlerini verir.

Doğal alüminyum metali çok nadirdir ve yalnızca belirli volkanların iç kısımları gibi düşük oksijenli fugasite ortamlarda küçük bir faz olarak bulunabilir.

Güney Çin Denizi'nin kuzeydoğusunda kıtasal eğimdeki soğuk sızıntılarda doğal alüminyum bildirilmiştir. Bu tortuların, tetrahidroksoalüminat Al(OH)4−'un bakteriyel redüksiyonundan kaynaklanmış olması mümkündür.

Alüminyum bol bir element olmasına rağmen, tüm alüminyum mineralleri ekonomik olarak uygun metal kaynakları değildir. Hemen hemen tüm metalik alüminyum, cevher boksit (AlOx(OH)3–2x)'dan üretilir. Boksit, tropikal iklim koşullarında düşük demir ve silika anakayasının kötü havadan ayrışma ürünü olarak oluşur.

2017 yılında çoğu boksit Avustralya, Çin, Gine ve Hindistan'da çıkarıldı.

Yerkabuğunda çok nadir bulunduğundan dolayı alüminyum bir zamanlar altından bile daha kıymetli görülmüştür.

Tarihçe
Eski Yunanlar ve Romalılar, alüminyum tuzlarını, boya renklerini sabitleştirmede ve kan durdurucu olarak kullanmışlardır. Alum günümüz tıbbında hala kan durdurucu ve damar büzücü olarak kullanılmaktadır.

Friedrich Wöhler'in, alüminyumu, 1827'de, susuz alüminyum klorürü potasyum ile karıştırarak ayrıştıran ilk kişi olduğu bilinse de metal, o tarihten iki sene kadar önce, Danimarkalı bir fizikçi ve kimyacı olan Hans Christian Ørsted tarafından saf olmayan bir formda üretilmiştir. Dolayısıyla almanaklarda ve kimya literatüründe Øersted'in adı alüminyumu bulan kişi olarak geçer. Fransız Henri Saint-Claire Deville, 1846'da, Wöhler'in metodunu, daha pahalı olan potasyum yerine sodyum kullanarak geliştirmiştir.

Amerikalı Charles Martin Hall 1886'da, alüminyumun elektrolitik bir işlemle eldesine ilişkin bir patent başvurusunda (patent no: 400655) bulunmuş, aynı yıl, Hall'un bu buluşundan tamamen habersiz olmak üzere Fransız Paul Héroult da aynı tekniği Avrupa'da geliştirmiştir. Bu nedenle iki bilim adamının adı verilen Hall-Heroult işlemi, günümüzde alüminyumun cevherinden eldesinde bütün dünyada kullanılan temel yöntemdir.

ABD'deki Washington Anıtının zirvesinin yapımında alüminyum kullanılması kararlaştırılmış ve o tarihte alüminyumun yaklaşık 30 gramının maliyeti bu projede çalışan bir işçinin yevmiyesinin iki katına eşdeğer olmuştur.

Adolf Hitler'in yönetime gelişinden hemen sonraki yıllarda Almanya, alüminyum üretiminde dünya lideri olmuştur. Ancak 1942'de, ABD'de yeni hidroelektrik santral projelerinin (örneğin, Grand Coulee Barajı) devreye alınması, ABD'ye Nazi Almanya'sının baş edemeyeceği bir üstünlük vermiştir. Bu üstünlük, dört yıl içinde 60 bin savaş uçağı yapmaya yetecek kadar alüminyum üretimi şeklinde ortaya çıkmıştır.

Üretim ve arıtma
Ayrıca bkz. Birincil alüminyum üretimine göre ülkelerin listesi